PERANCANGAN DAN REALISASI DUAL BAND WILKINSON POWER DIVIDER PADA FREKUENSI 1,27 GHZ DAN 2,3 GHZ DESIGN AND REALIZATION OF DUAL BAND WILKINSON POWER DIVIDER AT 1,27 GHZ AND 2,3 GHZ Fithqoti Afiroh Zuqri1 , Bambang Setia Nugroho2 , Budi Syihabuddin3

1

PERANCANGAN DAN REALISASI DUAL BAND WILKINSON POWER DIVIDER PADA FREKUENSI 1,27 GHZ DAN 2,3 GHZ

DESIGN AND REALIZATION OF DUAL BAND WILKINSON POWER DIVIDER AT 1,27 GHZ AND 2,3 GHZ

Fithqoti Afiroh Zuqri 1_{, Bambang Setia Nugroho}2_{, Budi Syihabuddin}3

1,2,3_{Prodi S1 Teknik Telekomunikasi, Fakultas Teknik Elektro, Universitas Telkom}

Jl. Telekomunikasi no. 1 Dayeuhkolot, Bandung, 40257 1

afiafiroh@students.telkomuniversity.ac.id, 2_{bambangsetianugroho@telkomuniversity.ac.id,} 3_{budisyihab@telkomuniversity.ac.id}

Abstrak

SAR (Synthetic Aperture Radar) merupakan teknologi yang menggunakan gelombang radio untuk mengambil data dan termasuk salah satu dari remote sensing. Pada SAR memanfaatkan banyak antena yang disusun dalam bentuk antena susun. Untuk pencatuan daya diperlukan power divider yang bekerja sebagai pembagi daya. Dimana power divider ini dapat melewatkan dua frekuensi sekaligus. Pada perancangan power divider ini menggunakan metode konvensional dimana bekerja pada frekuensi 1,27 GHz dan 2,3 GHz. Bahan yang digunakan dalam Wilkinson power divider ini adalah menggunakan FR4_epoxy dengan konstanta dielektrik nya 4,4. Hasil pengukuran dari power divider pada frekuensi 1,27 GHz, memiliki return loss -14,642 dB, insertion loss output 1 -3,596 dB dan untuk output 2 sebesar -3,917 dB, dan nilai port isolation -8,867 dB. Sementara pada frekuensi 2,3 GHz, return loss -21,366 dB, insertion loss output 1 -4,585 dB dan untuk output 2 sebesar -3,904 dB, dan nilai port isolation -15,005 dB.

Kata kunci : dual band , power divider, mikrostrip, Wilkinson power divider, FR4_epoxy

Abstract

SAR (Synthetic Aperture Radar) is a remote sensing technology using radio wave to take the data. SAR is using array antenna. To supplied the power of array antenna we are needed a power divider which works as a power divider. And this power divider forward two frequencies at once. In this final project, the design and realization of a convensional dual band Wilkinson power divider with a frequency of 1.27 GHz and 2.3 GHz. This power divider is using FR4_epoxy with dielectric constants 4,4. The result of measuring realized, at 1,27 GHz has return loss -14,642 dB, insertion loss output 1 -3,596 dB and output 2 -3,917 dB, and port isolation -8,867 dB. At 2,3 GHz, return loss - 21,366 dB, insertion loss output 1 -4,585 dB and output 2 -3,904 dB, and port isolation -15,005 dB.

Keyword : dual band , power divider, microstrip, Wilkinson power divider, FR4_epoxy

1. Pendahuluan

SAR (Synthetic Aperture Radar) merupakan salah satu teknologi remote sensing yang memanfaatkan gelombang radio untuk pengambilan data [1]_{. Pada SAR biasanya memanfaatkan banyak antena yang disusun dalam bentuk}

antenna susun [2]_{. Pada antena susun, daya transmitter akan ditransmisikan ke beberapa antena dalam susunan tersebut.}

Untuk mencatukan daya pada antena susun diperlukan sebuah alat yang bernama power divider yang bekerja sebagai pembagi daya untuk teknik pembentukan pola radiasi atau yang disebut dengan beamforming.

Power Divider merupakan salah satu komponen microwave pasif dimana dapat berfungsi sebagi pembagi daya (power divider) maupun sebagai penggabung daya (power combiner) [3]_{. Bila perangkat tersebut menerima}

sebuah sinyal masukan dan mengirim beberapa sinyal keluaran dengan fasa dan amplituda tertentu, maka dikatakan sebagai power divider [3]_{. Pada Wilkinson power divider dapat melewatkan dua frekuensi sekaligus} [4]_{, dimana}

dilakukan perancangan dan realisasi dual band Wilkinson power divider konvensional yaitu tanpa dilakukan penambahan stub atau teknik – teknik pencatuan lainnya, di mana pada penelitian tersebut menunjukkan bahwa fitur pada Wilkinson power divider konvensional seperti pembagi daya sama rata, penyesuaian impedansi di semua port dan port isolation yang baik dapat dipenuhi pada Wilkinson power divider dengan dua frekuensi secara bersamaan. Power divider yang telah dibuat bekerja pada frekuensi 1 GHz dan 1,8 GHz serta 1 GHz dan 4 GHz [4]_{. Hasil yang}

didapatkan pada penelitian ini memenuhi parameter – parameter yang ada pada power divider.

Mengacu pada penelitian sebelumnya [4]_{, pada tugas akhir ini, dirancang dan direalisasikan bentuk dual band}

2

atau bandwidth untuk masing-masing frekuensi 20 MHz. Dengan menggunakan Wilkinson power divider diharapkan dapat memberikan tingkat isolation antar port output tinggi karena adanya penambahan resistor untuk mengatur daya yang keluar di port output. Perealisasian dari dual band Wilkinson power divider ini dalam bentuk mikrostrip dengan menggunakan bahan substrate FR4_epoxy yang memiliki konstanta dielektrik 4,4 dan memiliki ketebalan 1,6 mm, dengan tebal konduktor 0,035 mm. Diharapkan dengan menggunakan substrate ini dapat menghasilkan ukuran dimensi yang lebih kecil. Spesifikasi dari dual band Wilkinson power divider yaitu dapat bekerja pada frekuensi 1,27 GHz dan 2,3 GHz dengan nilai return loss ≤ -10 dB, nilai VSWR pada port input ≤ 1,5, nilai insertion loss ≥ -4 dB, dan nilai port isolation ≤ -9 dB.

Tujuan dari tugas akhir ini adalah untuk merancang dan merealisasikan dual band Wilkinson power divider yang dapat bekerja pada dua frekuensi dengan menghasilkan nilai-nilai parameter dari power divider power divider yang realistis, serta dapat mengefisiensikan suatu alat dengan fungsi yang sama.

Metodologi penelitian yang digunakan dalam Tugas Akhir ini adalah eksperimental dengan tahapan – tahapan, yaitu studi literature, perancangan, pengukuran dan analisis. Perancangan dilakukan untuk dapat melakukan simulasi menggunakan software yang kemudian dapat direalisasikan dan dilakukan pengukuran untuk validasi design yang telah kita buat. Kemudian dilakukan analisis hasil perancangan dengan hasil pengukuran.

2. Dasar Teori

2.1 Power Divider

Power Divider merupakan salah satu komponen microwave pasif dimana berfungsi sebagi pembagi daya (power divider) maupun sebagai penggabung daya (power combiner) [3]_{. Bila perangkat tersebut menerima}

sebuah sinyal masukan dan mengirim beberapa sinyal keluaran dengan fasa dan amplituda tertentu, maka dikatakan sebagai power divider. Dalam membagi daya, power divider membagi satu sinyal input (P1) menjadi

dua sinyal output yaitu P2 dan P3. Combiner digunakan untuk menggabungkan daya / sinyal dari beberapa buah

input menjadi satu output tunggal seperti pada gambar 2 (a) dan (b) [3]_.

Gambar 2. (a) Power Divider (b) Power Combiner [3]

2.2 Wilkinson Power Divider

Wilkinson power divider merupakan kelas khusus dari rangkaian power divider yang dapat memperoleh isolasi antar port output ketika kondisi match di semua port sedang dipertahankan. Pada Wilkinson power divider dimana daya yang masuk akan dibagi menjadi N-way pada masing – masing output, dan memiliki isolasi antar port output untuk mecegah daya yang balik diantara kedua port output [3]_{. Gambar power divider dalam}

bentuk mikrostrip dan bentuk rangkaian pengganti dapat dilihat oleh gambar 3 (a) dan (b).

Gambar 3. (a) Power divider dalam mikrostrip (b) Rangkaian pengganti [3]

A. Analisis Rangkaian Dual Band Wilkinson Power Divider

Analisis rangkaian untuk dual band Wilkinson power divider [4]

3

1 1

odd 1 2

1

2

Gambar 4. Rangkaian power divider dengan analisis even mode [4]

Pada even mode memiliki dua sinyal dengan magnitude dan fasa yang sama. Untuk menyelesaikan transformasi pada dua frekuensi yang berbeda f1 dan f2 = m . f1 (dengan asumsi m adalah rasio dari kedua

frekuensi) dapat mengikuti penurunan rumus sebagai berikut [6] _:

𝑛𝜋

Gambar 5. Rangkaian power divider dengan analisis odd mode [4]

Persamaan impedansi Z’ dan Zodd’ pada frekuensi pertama (f1) adalah sebagai berikut :

Z’𝜔 = Z . 0+_���.�1.tan(�1.��1)

Menggunakan persamaan (2.14) substitusi dengan (2.15) dan l1 = l2 dari persamaan (2.9) menjadi ��.�1.tan(�1.��1)+��.Z2.tan(�1.��1) Port 2 shunted paralel dengan R/2, L/2, dan 2C, impedansi output Z”odd pada port 2 menjadi

4

1

Z’odd𝜔1 𝜔1.L 1

Dengan persamaan (2.16), (2.19), maka dapat dituliskan Z 2 − Z 1 . 𝑡 �𝑛2 _{(� 1 . ��1 )}

= 𝜔

�2(Z1+Z2).tan(�1.��1)

. 2C - 2

𝜔1 . L (2.20)

5

Dari persamaan (2.20) dan (2.21) bisa diperoleh C dan L, persamaannya dapat diselesaiakn dengan rumus

– rumus seperti di bawah ini.

Dari persamaan di atas dapat diperoleh nilai C dan L dengan persamaan sebagai berikut :

� Wilkinson power divider, di mana bekerja pada dua frekuensi f1 dan f2. Panjang l1 dan l2, impedansi karakteristik

Z1 dan Z2 dari saluran transmisi, dan R memiliki nilai yang postif [4].

Dari keseluruhan persamaan di atas, untuk hubungan antara bilangan bulat positif (n) dan perbandingan frekuensi (m), dapat diringkas sebagai berikut [4] _:

1) n = 1, jika dual band Wilkinson power divider yang beroperasi pada f1 dan m.f1 memiliki range 1 <

m < 3

2) n ≥2, jika dual band Wilkinson power divider yang beroperasi pada f1 dan m.f1 memiliki range 4 (n – 1) – 1 < m < 4n – 1

3) untuk m = 4n – 1, dual frequency Wilkinson power divider konvensional.

2.3 Saluran Mikrostrip

Konstruksi dari mikrostrip terdiri dari konduktor strip (line) dan sebuah konduktor bidang tanah yang dipisahkan oleh medium dielektrik dengan konstanta dielektrik (��r), seperti terlihat pada gambar 6. di atas strip

adalah udara sehingga bila tanpa shielding sebagian medan elektromagnetik akan meradiasi, dan sebagian lagi ada yang masuk kembali ke dalam substrat dielektrik [3]_.

6

] 2

2 2

Kita dapat mengetahui nilai konstanta dielektrik efektif (��e) dengan menggunakan persamaan [2.39] [3] : ��r + 1

+ ��r −1 ([1 + 12 �

−1/2 + 0.004 [1 −

𝑊

] ) 𝑊 ≤ 1

��e = {

𝑊 � � −1/2

(2.39)

��r +1

+ ��r − 1 [1 + 12 �

]

𝑊 > 1

2 2 𝑊 �

Untuk keperluan perancangan, bila diketahui impedansi karakteristik Z0 dan konstanta dielektrik ��r , dan

7

Panjang gelombang pada saluran mikrostrip, dihitung dengan memasukkan nilai konstanta dielektrik

300

��g = _�

0 (����)_√��e mm (2.43)

3. Desain Dual Band _Wilkinson Power Divider

Rangkaian yang diusulkan pada tugas akhir ini adalah seperti pada gambar 7, di mana pada rangkaian yang diusulkan sedikit berbeda dengan penelitian sebelumnya [4] _{yaitu menghilangkan komponen induktor dan kapasitor}

sehingga hanya resistor yang berfungsi sebagai isolasi.

Gambar 7. Rangkaian dual band Wilkinson power divider yang diusulkan

Spesifikasi bahan yang digunakan menggunakan FR4_epoxy dengan spesifikasi sebagai berikut :

 Permitivitas dielektrik (��_�) : 4.4

 Tebal dielektrik (d) : 1.6 mm

 Tebal konduktor (t) : 0.035 mm

 Tangent Loss (tan δ) : 0.025

Proses perancangan power divider menggunakan metode konvensional dengan dua impedansi karakteristik yang berbeda pada masing – masing transformator. Dimensi saluran mikrostrip yang dihasilkan dapat dihitung melalui persamaan (2.39) – (2.43).

Hasil design dan perealisasian dari dual band Wilkinson power divider adalah sepert pada gambar 8 (a) dan (b)

(a) (b)

8

4. Analisis

9

sebesar -18,1065 dB dan untuk frekuensi 2,3 GHz memiliki nilai return loss -27,0316 dB. Hal ini juga telah memenuhi spesifikasi. Hasil pengukuran VSWR port input, untuk frekuensi 1,27 GHz memiliki VSWR 1,23 dan untuk 2,3 GHz memiliki VSWR 1,21. Hal ini masih sesuai dengan spesifikasi yang diinginkan yaitu nilai VSWR ≤ 1,5 , namun hasil pengukuran mengalami perbedaan dengan hasil simulasi di mana hasil simulasi VSWR untuk 1,27 GHz sebesar 1,2840 dan frekuensi 2,3 GHz sebesar 1,0932. Hasil pengukuran dan simulasi return loss dan VSWR dapat dilihat pada gambar 9 (a) dan (b).

(a) (b)

Gambar 9. (a) Hasil pengukuran dan simulasi return los sport input (b) Hasil pengukuran dan simulasi VSWR port

input

Pada hasil pengukuran, nilai Insertion Loss pada output 1 untuk frekuensi 1,27 GHz sebesar -3,596 dB dan frekuensi 2,3 GHz sebesar -4,585 dB. Pada hasil simulasi untuk frekuensi 1,27 GHz sebesar -3,3623 dB dan untuk frekuensi 2,3 GHz adalah sebesar -3,6146 dB. Perbandingan hasil simulasi dan pengukuran untuk insertion loss pada output 1 dapat dilihat pada gambar 10 (a). Untuk nilai insertion loss pada output 2, frekuensi 1,27 GHz -3,917 dB dan 2,3 GHz sebesar -3,904 dB. Hasil simulasi untuk insertion loss pada output 2, frekuensi 1,27 GHz -3,3929 dB dan frekuensi 2,3 GHz sebesar -3,5576 dB dapat dilihat pada gambar 10 (b).

(a) (b)

Gambar 10. (a) Hasil simulasi dan pengukuran insertion loss output 1 (b) Hasil simulasi dan pengukuran

insertion loss output 2

1

0

Gambar 11. Perbandingan hasil simulasi dan pengukuran port isolation

5. Kesimpulan

1. Nilai return loss port input untuk frekuensi 1,27 GHz pada hasil simulasi dan pengukuran telah memenuhi spesifikasi yaitu memiliki nilai ≤ -10 dB

2. Nilai return loss port output 1 hasil simulasi untuk kedua frekuensi dan hasil pengukuran untuk frekuensi 1,27 GHz masih sesuai dengan spesifikasi yang diharapkan yaitu bernilai ≤ -10 dB, namun untuk hasil pengukuran pada frekuensi 2,3 GHz tidak sesuai dengan spesifikasi awal karena bernilai -8,919 dB 3. Nilai return loss port output 2 hasil simulasi dan pengukuran di kedua frekuensi sesuai dengan spesifikasi

yang diharapkan yaitu ≤ -10 dB

4. Nilai insertion loss output pertama, hasil simulasi dan pengukuran sesuai dengan spesifikasi ≥ -4 dB kecuali pada hasil pengukuran untuk frekuensi 2,3 GHz tidak sesuai dengan spesifikasi karena bernilai -4,585 dB. Kemudian untuk nilai insertion loss pada output kedua, hasil simulasi dan hasil pengukuran untuk kedua frekuensi sesuai dengan spesifikasi awal ≥ -4 dB

5. Hasil insertion loss menunjukkan daya yang terbagi untuk kedua port. Pada kesimpulan nomor 7 menunjukkan hasil yang terbagi memang tidak terlalu ideal semua sama. Pada hasil simulasi, untuk frekuensi 1,27 GHz memiliki selisih antar output sebesar 0.0306 dB dan untuk 2,3 GHz memiliki selisih 0.057 dB. Pada hasil pengukuran, untuk frekuensi 1,27 GHz memiliki selisih antar output 0.321 dB dan untuk frekuensi 2,3 GHz sebesar 0.681 dB.

6. Nilai port isolation pada hasil simulasi dan pengukuran telah memenuhi spesifikasi, namun untuk hasil pengukuran pada frekuensi 1,27 GHz tidak memenuhi spesifikasi karena bernilai -8,867 dB

7. VSWR pada port input yang diperoleh pada hasil simulasi dan pengukuran untuk kedua frekuensi sesuai dengan spesifikasi awal yaitu ≤ 1,5

DAFTAR PUSTAKA

[1] V. C. Koo, Y. K. Chan, V. Gobi, M. Y. Chua, C. H. Lim, C. S. Lim, C. C. Thum, T. S. Lim, Z. Ahmad, K. A. Mahmood, M. H. Shahid, C. Y. Ang, W. Q. Tan, P. N. Tan, K. S. Yee, W. G. Cheaw, H. S. Boey, A. L. Choo, B. C. Sew. 2012. “A New Unnamed Aerial Vehicle Synthetic Aperture Radar for Environmental Monitoring”. Faculty of Engineering & Technology Multimedia University.

[2] Sumantyo, Josaphat Tetuko Sri. 2011. "Development of Circularly Polarized Synthetic Aperture Radar